Kolme maailmalaajuista järjestelmää 1. GPS (USAn puolustusministeriö) Täydessä laajuudessaan toiminnassa v. 1994. http://www.navcen.uscg.gov/gps/default.htm 2. GLONASS (Venäjän hallitus) Ilmeisesti 11 satelliittia toiminnassa (viimeisin laukaisu v. 1998). Täydessä laajuudessa 24 satelliittia 19100 km korkeudessa. http://www.rssi.ru/sfcsic/english.htm 3. Galileo (Euroopan avaruusjärjestö, ESA) Täydessä laajuudessa (v. 2008) 27 + 3 (varalla) satelliittia MEOradoilla 23616 km korkeudessa. 1. satelliitti radalle v. 2004. http://www.esa.int/export/esasa/navigation.html. Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 1
GPS (Global Positioning System) USAn puolustusministeriön ylläpitämä satelliittinavigointijärjestelmä, jonka ensimmäinen satelliitti (Navstar 1) laukaistiin v. 1978. Suunnitellussa kokoonpanossa järjestelmä oli v. 1994. Koostuu kolmesta erillisestä lohkosta 1. Satelliittijärjestelmä (SS). 2. Käyttäjäjärjestelmä (US). 3. Maatukijärjestelmä (CS). Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 2
GPS (jatkuu) Sateliittijärjestelmä 24 satelliittia, T = 12h radan korkeus 20200 km, inklinaatio 55 o päiväntasaajan kautta kulkevaan tasoon nähden radat kuudella eri tasolla (4 satelliittia/taso 60 o välein) satelliitit lähettävät radiosignaalia käyttäjille ja tukiasemalle GPS US 20200 km GPS SS Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 3
GPS (jatkuu) Maatukijärjestelmä vastaanottaa satelliiteilta signaalia, jonka perusteella määrittää ja lähettää kullekin satelliitille tarkat ratakoordinaatit ja ajoituksen synkronointitiedot satelliitti siirtää ratatiedot pyynnöstä käyttäjälle koostuu antenniasemista, monitorointiasemista ja ohjauskeskuksesta (Colorado, USA) GPS CS GPS SS GPS US Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 4
Käyttäjäjärjestelmä Käyttäjän vastaanotin muuntaa satelliiteilta saatavat signaalit aika-, paikka- ja nopeustiedoiksi. Neljän dimension (x, y,z, t) määrittämiseen tarvitaan samanaikainen yhteys neljään satelliittiin.tarkkuus (PPS = Precise Positioning System) horisontaalinen tarkkuus 22 m (95% todennäköisyydellä) vertikaalinen tarkkuus 27.7 m (95% todennäköisyydellä) ajoituksen tarkkuus 100 ns Keskiarvoistamalla useita mittauksia horisontaalinen ja vertikaalinen tarkkuus voi parantua alle 10 metriin. Aiemmin käytössä myös ns. SPS-palvelu, jossa tarkuuksiksi määritettiin 100 m (horisontaalinen), 156 m (vertikaalinen) ja 340 ns (ajoitus). Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 5
GSP-signaalit Satelliitit lähettävät signaaleja kahdella kantoaaltotaajuudella L1 L2 1575.42 MHz 1227.60 MHz Navigointi- ja SPS-palvelun tietoja PPS-palvelun tietoja ja informaatiota ionosfäärissä syntyvien vääristymien korjaamiseksi. Kantoaaltoja moduloidaan kolmella eri koodilla C/A Coarse Acquisition. Valesatunnainen (PRN 1 -) koodi, joka tuotetaan 1023 MHz taajuudella ja joka toistuu 1 ms (1023 lastun) välein. Levittää kapeakaistaisen (kaista 50 Hz) informaation kanavalla L1 2046MHz taajuuskaistalle. Koodi tuotetaan takaisinkytketyllä siirtorekisterillä. Hajaspektri (CDMA) tekniikka! 1 pseudo-random-noise Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 6
P NAV Precise. Valesatunnainen koodi, jonka jakso on pitkä (267 vrk). Kukin satelliitti toistaa oman 7 vuorokauden mittaisen osan (6.19 10 12 lastua) tästä koodista alkaen joka sunnuntai 00:00 GMT. Koodi tuotetaan 10.23 MHz taajuudella ja se levittää kapeakaistaisen informaation sekä L1- että L2-kanavilla 20.46 taajuuskaistalle. Koodi tuotetaan takaisinkytketyllä siirtorekisterillä. Navigation Message. Moduloivat L1- ja L2-kanavilla C/A- ja P- moduloituja signaaleja. NAV-koodi sisältää 50 bps nopeudella informaatiota satelliitin radasta, ajoituksesta ja muista järjestelmäparametreista. NAV-koodin pituus on 1500 bit = 30 s eli yhtä paikannusta varten yhdeltä satelliitilta tarvittavan tiedon saaminen kestää 30 s. Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 7
Paikkatiedon määrittäminen Vastaanottimen paikka voidaan määrittää, kun tunnetaan sen etäisyys kolmeen satelliittiin ja satelliittien tarkat paikat. Etäisyys satelliittiin (d) määritetään satelliitin lähettämän radiosignaalin (L1/L2) kulkuajan perusteella. d = v t d, missä d = vastaanottimen ja satelliitin välinen etäisyys, v = radiosignaalin nopeus ja t d = signaalin kulkuaika satelliitista vastaanottimelle. Signaalin saapumishetki t 2 määritetään vastaanottimella C/A- ja P- koodien perusteella synkronoitumalla vastaanotettuun signaaliin. Koodin alkuhetki on signaalin saapumishetki. Signaalin lähtöhetki t 1 voidaan puolestaan lukea NAV-koodista. Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 8
Signaalin kulkuajaksi saadaan tällöin t 2 t 1.Koska v on suuri, muodostuu ajoitus kriittiseksi tekijäksi, esim. d = 20200 km -> t d = 67.333 µs d = 300 m -> t d = 1 µs (= lastun pituus C/A-koodissa) d = 30 m -> t d = 100 ns (= lastun pituus P-koodissa) Satelliitilla ajoitus on tarkka (cesiumkello), mutta halvassa vastaanottimessa (kvartsikello) ajan määrityksessä esiintyy virhettä, jonka suuruus voidaan estimoida neljännen mittauksen perusteella. Jos ajoitus vastaanottimella on epätarkka, saadaan kolmen satelliitin etäisyyksien perusteella muodostettua tarkka paikkatieto, joka on virheellinen. Neljäs mittaus ei kuitenkaan vahvista tätä paikkatietoa, joten vertaamalla neljännen mittauksen tulosta kolmeen muuhun, voidaan ajoitusvirhe määrittää ja paikannusta tarkentaa. Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 9
t off t d =t 2 -t 1 t 1 t 2 Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 10
d 1 = v t d1 d2 = v t d2 d 3 = v t d3 d 4 = v t d4 Neljäs mittaus määrittää ajoituksen virheen! Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 11
Differentiaalinen paikannus Paikannustarkkuutta voidaan edelleen parantaa käyttämällä kahta GPS-vastaanotinta, joista toinen sijaitsee tunnetussa kiinteässä paikassa. Mittaamalla vastaanottimen paikkaa ja vertaamalla tulosta tunnettuun sijaintiin, voidaan paikannuksessa syntyvää virhettä estimoida. Virheinformaatio välitetään reaaliaikaisesti toiselle vastaanottimelle, joka tekee informaation perusteella korjauksen omaa paikannustulokseensa. Menetelmällä saavutetaan GPS-paikannuksessa jopa 1 m paikannustarkkuus. Differentiaalisen paikannuksen periaate on laajalti käytössä mm. merenkulussa. Menetelmää on käytetty jo ennen GPS-järjestelmän käyttöönottoa. Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 12
GPS GPS-vastaanottimen yksinkertaistettu lohkokaavio. S ~ -130 dbm N ~ -110 dbm vahvistin IF Perusratkaisut: Jokaiselle satelliitille oma kanava tai yksi multipleksoitava kanava mittausaika pitenee Kannettavissa laitteissa nykyisin tyypillisesti 12 rinnakkaista kanavaa. Päivitystietojen demodulointi Koodigeneraattori oskillaattori NAV Päivitystiedot Satelliittien ratatiedot Vastaanoton ajoitus Paikan, nopeuden ja ajanhetken määritys Jyrki Laitinen TL5231 Signaaliteoria (S2004) 13 Paikka Nopeus Aika